熱虹吸式蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

□ 熊從貴 □ 何 靜 □ 林 通 □ 林 翔 □ 劉雪飛

臺(tái)州龍江化工機(jī)械科技有限公司 浙江溫嶺 317500

熱虹吸式蒸發(fā)器采用熱虹吸原理設(shè)計(jì)，熱虹吸實(shí)際是一種熱循環(huán)運(yùn)動(dòng)，它利用流體的高度差和密度差作為流體循環(huán)的動(dòng)力。熱虹吸式蒸發(fā)器屬于重力供液制冷系統(tǒng)的輔助設(shè)備，它不受制冷工質(zhì)限制，可用于R717、R22和R404A等工業(yè)制冷系統(tǒng)，具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)［1］，應(yīng)用于化工廠的冷凍站、采礦業(yè)的凍結(jié)鑿井、水產(chǎn)品和食品加工車間的空調(diào)系統(tǒng)等。

國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì) （2013）6號(hào)文件發(fā)布后，要求人員集中的加工車間不得采用氨直接蒸發(fā)的空調(diào)系統(tǒng)，已建成的采用氨直接蒸發(fā)的空調(diào)系統(tǒng)面臨整改，管殼式蒸發(fā)器成為必選產(chǎn)品，這在一定程度上推動(dòng)了熱虹吸式蒸發(fā)器的技術(shù)進(jìn)步。熱虹吸式蒸發(fā)器在工業(yè)制冷系統(tǒng)的應(yīng)用不到十年，經(jīng)過(guò)專利檢索，我國(guó)在2006年才誕生第一個(gè)工業(yè)制冷系統(tǒng)的熱虹吸式蒸發(fā)器實(shí)用新型專利（ZL200620049074.5），在2013年才授權(quán)第一個(gè)工業(yè)制冷系統(tǒng)的熱虹吸式蒸發(fā)器發(fā)明專利（ZL201210032016.1）。雖然目前已經(jīng)有一些熱虹吸式蒸發(fā)器的應(yīng)用案例，但人們對(duì)它的性能和特點(diǎn)認(rèn)識(shí)仍然不足。本文旨在對(duì)熱虹吸式蒸發(fā)器做一個(gè)全面的描述，讓大家有更深入了解，進(jìn)一步推廣熱虹吸式蒸發(fā)器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 工作原理

▲圖1 熱虹吸蒸發(fā)器外形圖

如圖1所示，熱虹吸式蒸發(fā)器由臥式氣液分離器和臥式蒸發(fā)器兩個(gè)獨(dú)立設(shè)備組成，臥式氣液分離器以臥式蒸發(fā)器為基礎(chǔ)，固定在其上部。氣液分離器的進(jìn)氣管與蒸發(fā)器的出氣管相連，蒸發(fā)器的進(jìn)液管與氣液分離器的出液管相連。經(jīng)過(guò)節(jié)流后的制冷劑液體從臥式氣液分離器的底部進(jìn)入，在氣液分離器內(nèi)分離閃蒸氣體和潤(rùn)滑油后，從降液管經(jīng)臥式蒸發(fā)器的一端管箱進(jìn)入，在換熱管內(nèi)通過(guò)其管壁獲取管外載冷劑而逐漸蒸發(fā)產(chǎn)生氣泡，在換熱管長(zhǎng)度方向上隨著熱交換的不斷進(jìn)行，換熱管內(nèi)產(chǎn)生的氣泡越來(lái)越多。換熱管出口端的制冷劑密度必然小于進(jìn)口端制冷劑密度，加上氣液分離器液面與蒸發(fā)器的高度差，形成制冷劑的循環(huán)動(dòng)力，推動(dòng)換熱管內(nèi)的制冷劑向出口端流動(dòng)。當(dāng)制冷劑到達(dá)蒸發(fā)器右側(cè)管箱時(shí)，氣泡從制冷劑液體中逸出，再?gòu)纳龤夤苓M(jìn)入氣液分離器。當(dāng)蒸發(fā)強(qiáng)度較大時(shí)，升氣管內(nèi)上升氣流會(huì)夾帶液滴變成氣液兩相流。制冷劑氣體或氣液兩相流在氣液分離器內(nèi)完成氣、液兩相的分離，液相沉降到分離器底部重復(fù)下一個(gè)循環(huán)，氣相從臥式氣液分離器另一端上部的蒸氣出口被制冷壓縮機(jī)吸走。蒸發(fā)管內(nèi)制冷劑液體蒸發(fā)后，氣液分離器內(nèi)的液位下降，供液閥門打開(kāi)，補(bǔ)充蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑液體，使氣液分離器維持一定的液位高度。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

熱虹吸式蒸發(fā)器是由蒸發(fā)器、氣液分離器及其相應(yīng)管路組成的組合裝置，根據(jù)熱虹吸的原理，要求裝置具備：①保持一定的液柱高度；②制冷劑進(jìn)出口具有較大的密度差；③出氣管路的壓力降盡量小?；谏鲜鲈瓌t，氣液分離器和蒸發(fā)器采用重疊式布置，既能滿足高度要求，又能減少氣液分離器的基礎(chǔ)施工費(fèi)用。蒸發(fā)器的換熱管長(zhǎng)度與設(shè)備直徑的比值應(yīng)大一些，一般應(yīng)在8～12之間，蒸發(fā)器的出氣管要短而直。

2.2 氣液分離器

臥式布置能降低整個(gè)熱虹吸式蒸發(fā)器的高度。底部出液管內(nèi)伸高度能將沉積在氣液分離器底部的潤(rùn)滑油阻擋在分離器內(nèi)，不會(huì)隨制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器，否則會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器的傳熱熱阻增加。氣體進(jìn)口和氣體出口分別布置在設(shè)備筒體的兩端，且內(nèi)部設(shè)置了若干氣體折流板，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑從分離器一端進(jìn)入，撞擊封頭后改變流向，然后向另一端流動(dòng)，由于分離器筒體的直徑比制冷劑進(jìn)口管的直徑大很多，制冷劑流速降低，流向改變，制冷劑氣體中的液體制冷劑成分得到初步分離。在折流板的作用下，制冷劑氣體向分離器的另一端流動(dòng)時(shí)，既作軸向流動(dòng)，又作周期性180°轉(zhuǎn)角徑向流動(dòng)。通過(guò)不斷地改變流向，制冷劑氣體中的液體得到進(jìn)一步分離，最后，干度較高的制冷劑氣體從分離器另一端的制冷劑氣體出口管被壓縮機(jī)吸走。氣液分離器的直徑按在凈流通面積下制冷劑流速不大于0.8 m/s來(lái)確定［2］，氣液分離器的長(zhǎng)度根據(jù)氣體的停留時(shí)間確定，一般取 4～7 s。

▲圖2 氣液分離器結(jié)構(gòu)

2.3 換熱管

根據(jù)水平管內(nèi)蒸發(fā)傳熱強(qiáng)化原理，換熱管采用橫槽紋管，當(dāng)制冷劑液體流經(jīng)環(huán)肋時(shí)，由于流通截面突然縮小，制冷劑主流脫離換熱管壁面，形成漩渦，產(chǎn)生徑向分速度，導(dǎo)致?lián)Q熱管橫截面上的徑向流速分布發(fā)生突變，主流速度和徑向流速發(fā)生碰撞，夾角處的液膜產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，從而破壞液膜邊界層。由于環(huán)肋是等間距分布的，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)漩渦快消失時(shí)，又遇到下一個(gè)漩渦，制冷劑液體在換熱管內(nèi)受到不斷的擾動(dòng)，邊界層不斷地被破壞，減少了邊界層熱阻，提高了傳熱系數(shù)。

2.4 降液管

屬于自流液體管道，根據(jù)文獻(xiàn)［2］介紹，自流液體管道內(nèi)高壓液體制冷劑流速取0.5 m/s。但是低壓液體制冷劑的黏度更大，要保證蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑液體得到及時(shí)補(bǔ)充，降液管必須暢通，因此降液管可適當(dāng)加大一些，以減少向蒸發(fā)器進(jìn)行重力供液的管路壓降，降液管的直徑按管內(nèi)液體制冷劑流速0.2～0.3 m/s來(lái)確定。

2.5 升氣管

管徑的大小關(guān)系到壓力損失的大小，壓力損失的大小直接關(guān)系到制冷劑的循環(huán)倍率的大小，循環(huán)倍率的大小影響蒸發(fā)器的傳熱性能，因此升氣管直徑的確定至關(guān)重要，而升氣管直徑的確定又與制冷劑流速有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)［2］介紹，蒸發(fā)器至氣液分離器的管道內(nèi)制冷劑允許流速可取10～16 m/s，考慮到升氣管短而直的特點(diǎn)，確定升氣管直徑時(shí)，可取升氣管內(nèi)制冷劑流速不大于10 m/s。

熱虹吸式蒸發(fā)器在設(shè)計(jì)時(shí)，先要合理地設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)，再結(jié)合水平管內(nèi)蒸發(fā)傳熱的特點(diǎn)，選擇合適的換熱管形式和規(guī)格，最后選擇合適的降液管和升氣管直徑，這就是設(shè)計(jì)熱虹吸式蒸發(fā)器的基本思路。

3 產(chǎn)品應(yīng)用

沉浸式螺旋管式蒸發(fā)器屬于開(kāi)式載冷劑系統(tǒng)，占地面積大、傳熱系數(shù)低。蒸發(fā)器需要的換熱面積大，且載冷劑易于與空氣接觸而被氧化、稀釋，因此增加了載冷劑的腐蝕性，載冷劑的濃度也會(huì)逐漸降低。臥式蒸發(fā)器屬于閉式載冷劑系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱系數(shù)比沉浸式螺旋管式蒸發(fā)器高，但由于載冷劑是在換熱管內(nèi)流通，所以在出現(xiàn)蒸發(fā)溫度控制不當(dāng)、換熱管內(nèi)載冷劑分配不均勻等情況時(shí)，常常造成換熱管內(nèi)載冷劑結(jié)冰，導(dǎo)致?lián)Q熱管被脹裂。在以水為載冷劑的空調(diào)系統(tǒng)中，這種情況更為嚴(yán)重。

熱虹吸式蒸發(fā)器結(jié)合了臥式蒸發(fā)器和干式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，將其綜合性能發(fā)揮到極致。按國(guó)內(nèi)某制冷壓縮機(jī)公司的產(chǎn)品樣本，一臺(tái)JZLG20的螺桿氨制冷壓縮機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)工況下的制冷量為671 kW，需選用一臺(tái)WZ-250（換熱面積250 m2）臥式蒸發(fā)器。如果選用熱虹吸式蒸發(fā)器，只需一臺(tái)RHZ-150（換熱面積150m2），因此熱虹吸式蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)比臥式蒸發(fā)器要高得多。另外，由于載冷劑是在熱虹吸式蒸發(fā)器的換熱管外流通，因此載冷劑不易結(jié)冰，即使結(jié)冰也不會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管脹裂，增加了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱虹吸式蒸發(fā)器的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)影響設(shè)備的傳熱性能，是設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真考慮的部分。熱虹吸式蒸發(fā)器是一種新型高效傳熱設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、傳熱效率高，是替代沉浸式螺旋管蒸發(fā)器和臥式蒸發(fā)器的理想產(chǎn)品。

［1］ 林文賢，熊從貴.一種制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)裝置［P］.中國(guó)專利:CN102563982A，2013-07-11.

［2］ 黃根在.制冷技術(shù)［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1998.